基于SG3525的車載DC_DC變換器設(shè)計(jì)

1、基于SG3525的車載DC_DC變換器設(shè)計(jì)摘要: 本文介紹一種基于脈寬調(diào)制器SG3525芯片的車載DC_DC變換器設(shè)計(jì)。開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效、節(jié)能型電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向。目前，開(kāi)關(guān)電源以其高性價(jià)比、最簡(jiǎn)外圍電路、最佳性能指標(biāo)等顯著優(yōu)點(diǎn)，獲得廣泛應(yīng)用，而現(xiàn)在大多數(shù)的開(kāi)關(guān)電源工作方式都是脈沖寬度調(diào)制（PWM）式。隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率MOSFET被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)變換器中。為此，美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司（Silicon General）推出了SG3525，以用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。SG3525是電流控制型PWM控制器，可在其脈寬比較器的輸入端直接用流過(guò)輸出電感線圈信號(hào)與誤差放大器

2、輸出信號(hào)進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此開(kāi)關(guān)電源無(wú)論是電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。本文介紹了由SG3525芯片為控制核心的500W、60V12V 推挽式DC-DC變換器設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：SG3525、DC_DC、推挽式開(kāi)關(guān)變換器、高頻變壓器Abstract: This article introduce a vehicle-mounted DC-DC Converter plan that based on pulse width modulator SG3525. Swit

3、ching power supply is known as efficient and energy conservation power source, it represents the development direction of the voltage stabilizer. At the moment, Monolithic integrated circuit switching power supply therewith high integration density, high Cost-Effective, the most simple peripheral ci

4、rcuit and optimum performance index, and other advantages, and so, it has been widely used, it has been the best product when design a medium and small power switching power supply. Along with the development of the electric power transformation technology, Power MOSFET has been widely used at Switc

5、hing Converter. For this reason, the second generation integrated circuit pulse width modulator SG3525, which is designed by Silicon General, can be used to drive the N-channel MOS power tube. SG3525 is a Electric current control PWM adjuster, and it can use directly through the output inductance co

6、il signal and the error amp signal to compare in the pulse width of the comparator, and then adjust duty cycle to make the output of inductive current peak follow error voltage changes. Because the structure with voltage loop and current loop double loop system, Switching power supply voltage adjust

7、ment rate, adjustment in load rate and the transient response characteristics have improved, is the relatively ideal new controller. This article introduce a 500W, 60V-12V high frequency switching power supply.Key Words: SG3525 DC-DC Push-pull type Switching Converter High-frequency transformer目錄前言3

8、.1 主要元件介紹5.1.1 SG3525的介紹與說(shuō)明5.1.1.1 引腳功能說(shuō)明5.1.1.2 SG3535的工作原理6.1.1.3 SG3525的結(jié)構(gòu)特性7.1.2 功率開(kāi)關(guān)管8.1.3 輸出整流管9.1.4 TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器10.2 60V-12V DC_DC變換器設(shè)計(jì)方案12.2.1 自動(dòng)穩(wěn)壓原理13.3 直流變換的電路設(shè)計(jì)13.3.1 推挽式變換器電路中RC阻容緩沖電路的設(shè)計(jì)15.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算17.4.1 高頻變壓器磁心的選擇18.4.2 高頻變壓器導(dǎo)線的選擇20.4.3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)步驟及參數(shù)計(jì)算20.4.4 磁飽和對(duì)開(kāi)關(guān)電源的危害及避免方法2

9、3.5 輸出整流濾波電路的設(shè)計(jì)24.5.1 LC儲(chǔ)能濾波電路的參數(shù)計(jì)算25.5.1.1 儲(chǔ)能濾波電感參數(shù)計(jì)算26.5.1.2 儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)計(jì)算26.6 反饋電路的設(shè)計(jì)27結(jié)論28致謝29參考文獻(xiàn)30前言汽車是現(xiàn)代社會(huì)的重要交通工具，為人們提供了便捷、舒適的出行服務(wù)，然而傳統(tǒng)燃油車輛在使用過(guò)程中產(chǎn)生了大量的有害廢氣，并加劇了對(duì)不可再生石油資源的依賴。在能源方面，目前世界汽車保有量約8億輛，并以每年3000萬(wàn)輛的速度遞增，預(yù)計(jì)到2020年全球汽車保有量將達(dá)到12億輛，而主要增幅是來(lái)自發(fā)展中國(guó)家。隨著世界石油儲(chǔ)備的進(jìn)一步下降，全世界的石油即將在30年內(nèi)用光，由此帶來(lái)的新能源的發(fā)展問(wèn)題不可避免。全

10、球金融危機(jī)引發(fā)實(shí)體經(jīng)濟(jì)滑坡，美、日、歐等地區(qū)的傳統(tǒng)汽車業(yè)遭受重創(chuàng)，各國(guó)政府紛紛救市，重點(diǎn)支持新能源汽車發(fā)展。目前，西方各國(guó)已在推進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化方面達(dá)成共識(shí)，一場(chǎng)全球性的合作與競(jìng)爭(zhēng)正在全面展開(kāi)。就整體而言，我國(guó)傳統(tǒng)汽車的研發(fā)水平、自主創(chuàng)新能力，與世界水平相比仍有不小差距。但在新能源汽車方面，我國(guó)并不落后，進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，以汽車動(dòng)力電氣化為主要特征的電動(dòng)汽車技術(shù)突飛猛進(jìn)。油電混合動(dòng)力技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，鋰動(dòng)力電池技術(shù)取得重大突破，車用燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步。我國(guó)目前每天有超過(guò)9億度低谷電，可供5000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車充電。我國(guó)鋰資源、稀土資源和鎂資源豐富，可以為電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件提供原材料資源保障。我國(guó)電

11、動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車等輕型電動(dòng)車保有量已超過(guò)5000萬(wàn)輛，在世界上遙遙領(lǐng)先，這為新能源電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)。此外，我國(guó)政府也高度關(guān)注電動(dòng)汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。2005年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告提出：“要鼓勵(lì)和發(fā)展清潔汽車”，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要提出：“要鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)使用節(jié)能環(huán)保和新型燃料汽車?！?006年2月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）將“低能耗與新能源汽車”和“氫能及燃料電池技術(shù)”分別列入優(yōu)先主題和前沿技術(shù)。2007年6月公布的中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案鼓勵(lì)混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車的生產(chǎn)和消費(fèi)。國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)通過(guò)發(fā)布一系列政策，強(qiáng)調(diào)

12、開(kāi)展電動(dòng)汽車的研究與推廣。近兩年發(fā)布的節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃、高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十一五”規(guī)劃、能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃，均強(qiáng)調(diào)要大力發(fā)展電動(dòng)汽車及零部件和配套基礎(chǔ)設(shè)施。電動(dòng)汽車必將會(huì)成為未來(lái)的主力代步工具，電動(dòng)汽車具有節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，世界范圍內(nèi)的電動(dòng)汽車大發(fā)展勢(shì)在必行?！笆濉逼陂g，國(guó)家從維護(hù)我國(guó)能源安全、改善大氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮。設(shè)立“電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)”，通過(guò)組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，集中國(guó)家、地方、企業(yè)、高校、科研院所等方面的力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。為此，從2001年10月起，國(guó)家共計(jì)撥款8.8億元作為這一重大科技專項(xiàng)的經(jīng)費(fèi)。我國(guó)電動(dòng)汽車重

13、大科技專項(xiàng)實(shí)施10年來(lái)，經(jīng)過(guò)200多家企業(yè)、高校和科研院所的2 000多名技術(shù)骨干的努力，目前已取得重要進(jìn)展：燃料電池汽車已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出性能樣車，燃料電池轎車?yán)塾?jì)運(yùn)行4000km，燃料電池客車?yán)塾?jì)運(yùn)行8 000km；混合動(dòng)力客車已在武漢等地公交線路上試驗(yàn)運(yùn)行超過(guò)14萬(wàn)km；純電動(dòng)轎車和純電動(dòng)客車均已通過(guò)國(guó)家有關(guān)認(rèn)證試驗(yàn)。國(guó)家發(fā)政委“新能源汽車公告管理辦法和實(shí)施細(xì)則”已于2007年11月1日施行?！俺擎?zhèn)鄉(xiāng)村農(nóng)用（專用）電動(dòng)汽車通用技術(shù)條件”也在醞釀過(guò)程中，純電動(dòng)汽車商業(yè)化在農(nóng)村已經(jīng)初現(xiàn)雛形。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)就是動(dòng)力電池技術(shù)，電池的好壞直接決定了電動(dòng)汽車的續(xù)行里程和成本。目前，電池技術(shù)也是制約電

14、動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本文主要介紹了一種能將電動(dòng)汽車車載60V蓄電池降壓到12V的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，以用于為車載附件提供電力，如前車燈、雨刷、風(fēng)扇、收音機(jī)、安全氣囊、電動(dòng)車窗以及車內(nèi)的各種儀表。由于這些設(shè)備使用的都是標(biāo)準(zhǔn)電壓12V，因此設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)變換器將60V直流輸入電壓變換為12V直流輸出電壓。由于推挽式變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變壓器磁芯利用率高，適用范圍廣，尤其在低壓高電流的中小功率場(chǎng)合中性能良好，因此本文采用以SG3525芯片為核心的推挽式高頻變壓器全波整流方案，設(shè)計(jì)60V DC輸入12V DC輸出、額定功率500W的DC_DC變換器。.1 主要元件介紹.1.1 SG3525的介紹與說(shuō)明SG352

15、5是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式即推挽式結(jié)構(gòu)，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。其性能特點(diǎn)如下：（1）、工作電壓范圍寬： 835V。（2）、內(nèi)置51 V±10的基準(zhǔn)電壓源。（3）、芯片內(nèi)振蕩器工作頻率寬100Hz400 kHz。（4）、具有振蕩器外部同步功能。（5）、死區(qū)時(shí)間可調(diào)。為了適應(yīng)驅(qū)動(dòng)快速場(chǎng)效應(yīng)管的需要，末級(jí)采用推拉式工作電路，使開(kāi)關(guān)速度更陜，末級(jí)輸出或吸入電流最大值可達(dá)400mA。（6）、內(nèi)設(shè)欠壓鎖定電路。當(dāng)輸入電壓

16、小于8V時(shí)芯片內(nèi)部鎖定，停止工作(基準(zhǔn)源及必要電路除外)，使消耗電流降至小于2mA。（7）、有軟啟動(dòng)電路。比較器的反相輸入端即軟啟動(dòng)控制端芯片的引腳8，可外接軟啟動(dòng)電容。該電容器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓Uref由恒流源供電，達(dá)到25V的時(shí)間為t=(25V50A)C，占空比由小到大(50)變化。（8）、內(nèi)置PWM(脈寬調(diào)制)。鎖存器將比較器送來(lái)的所有的跳動(dòng)和振蕩信號(hào)消除。只有在下一個(gè)時(shí)鐘周期才能重新置位，系統(tǒng)的可靠性高。.1.1.1 引腳功能說(shuō)明1、Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號(hào)。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）相連，可構(gòu)成跟隨器。2、Non

17、inv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號(hào)。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號(hào)輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。3、Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端。該端接外部同步脈沖信號(hào)可實(shí)現(xiàn)與外電路同步。4、OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。5、CT(引腳5)：振蕩器定時(shí)電容接入端。6、RT（引腳6）：振蕩器定時(shí)電阻接入端。7、Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻構(gòu)成放電回路。8、Soft-Start(引腳8)：軟啟動(dòng)電容接入端。該端通常接一只5f的

18、軟啟動(dòng)電容。9、Compensation(引腳9)：PWM比較器補(bǔ)償信號(hào)輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。10、Shutdown(引腳10)：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端。該端接高電平時(shí)控制器輸出被禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。11、Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補(bǔ)輸出端。12、Ground(引腳12)：信號(hào)地。13、Vc(引腳13)：輸出級(jí)偏置電壓接入端。14、Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補(bǔ)輸出端。15、Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。16、Vref(引

19、腳16)：基準(zhǔn)電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)電壓。直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率由外接電阻RT和電容CT決定振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個(gè)輸入端?；蚍情T的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波

20、。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時(shí)間，保證VT1及VT2不同時(shí)導(dǎo)通。最后，VTl及VT2分別輸出相位相差為180°的PWM波。.1.1.2 SG3535的工作原理SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無(wú)須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一

21、個(gè)外接定時(shí)電容。SG3525的軟啟動(dòng)接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5f的軟啟動(dòng)電容。上電過(guò)程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過(guò)兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無(wú)法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開(kāi)始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM

22、瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關(guān)斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過(guò)接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號(hào)耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過(guò)低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。此外，S

23、G3525還具有以下功能，即無(wú)論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)，PWM瑣存器才被復(fù)位。.1.1.3 SG3525的結(jié)構(gòu)特性SG3525脈寬調(diào)制控制器，不僅具有可調(diào)整的死區(qū)時(shí)間控制功能，而且還具有可編式軟起動(dòng)，脈沖控制封鎖保護(hù)等功能。通過(guò)調(diào)節(jié)SG3525第5腳上CT的電容和第6腳RT上的電阻就可以改變輸出控制信號(hào)PWM的頻率，調(diào)節(jié)第9腳COMP的電壓可以改變輸出脈寬，這些功能可以改善開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能和簡(jiǎn)化控制電路的設(shè)計(jì)。SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)由基準(zhǔn)電壓、振蕩器。誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟起動(dòng)電路和輸出電路構(gòu)成。欠壓鎖定功能。

24、基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸入電壓為15腳的輸入電壓VC，當(dāng)VC低于8 V時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的輸出精度值就得不到保證，由于設(shè)置了欠壓鎖定電路，當(dāng)出現(xiàn)欠壓時(shí)，欠壓鎖定器輸出一個(gè)高電平信號(hào)，再經(jīng)過(guò)或非門輸出轉(zhuǎn)化為一個(gè)低電平信號(hào)輸出到兩個(gè)晶體管的基極，兩個(gè)晶體管關(guān)斷，SG3525的13腳輸出為VC，11腳和14腳無(wú)脈沖輸出，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場(chǎng)效應(yīng)管的控制脈沖消失，變換器無(wú)電壓輸出，從而實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定保護(hù)的目的。系統(tǒng)故障關(guān)閉功能。集成控制器SG3525內(nèi)部的一個(gè)晶體管基極經(jīng)一個(gè)電阻連接10引腳。當(dāng)系統(tǒng)過(guò)流時(shí)，過(guò)流保護(hù)保護(hù)電路將輸送給10腳一個(gè)高電平，由于該晶體管基極與兩個(gè)或非門相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過(guò)程與

25、欠電壓鎖定過(guò)程類似。在電路中，過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流信號(hào)時(shí)，檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門的輸入端，使脈沖消失，與SG3525的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。軟啟動(dòng)功能。軟起動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由SG3525內(nèi)部與8管腳連接的晶體管、外接電容及鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過(guò)流故障時(shí)，欠壓鎖定器的高電平傳到該晶體管基極，晶體管導(dǎo)通為8引腳的外接電容提供放電的途徑，外接電容經(jīng)晶體管放電到零電壓后，限制了比較器的PWM脈沖電壓輸出，使PWM比較器輸出為高電平，PWM高電平經(jīng)PWM鎖存器輸出至或非門仍為恒定的邏輯高電平，11引腳和14引腳晶體管關(guān)斷，封鎖輸出。當(dāng)故障消除后

26、，欠壓鎖定器輸出恢復(fù)為低電平正常值，8引腳晶體管截止，外接電容由50A電流源緩慢充電，外接電容充電對(duì)PWM比較器和PWM鎖存器的輸出產(chǎn)生影響，同時(shí)對(duì)兩個(gè)或非門的輸出脈沖產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使輸出脈沖由窄緩慢變寬，只有外接電容充電結(jié)束后，脈沖寬度不受該電容充電的影響。這種軟起動(dòng)方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場(chǎng)效應(yīng)管承受過(guò)大的沖擊浪涌電流。.1.2 功率開(kāi)關(guān)管使用脈寬調(diào)制（PWM）器構(gòu)成開(kāi)關(guān)電源時(shí)，必須選擇功率開(kāi)關(guān)管。開(kāi)關(guān)電源中使用的功率開(kāi)關(guān)管主要有兩種類型：一種為雙極型功率開(kāi)關(guān)管，它屬于雙極型晶體管（BJT）；第二種為金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。此外還有絕緣柵-雙極型晶體管（I

27、GBT），主要應(yīng)用于交流變頻器、逆變器等電氣設(shè)備及電磁爐中。選擇開(kāi)關(guān)電源的功率開(kāi)關(guān)管時(shí)，還需要注意其導(dǎo)通壓降（或通態(tài)電阻）和開(kāi)關(guān)速度。功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)速度與額定電壓有關(guān)，額定電壓越高，導(dǎo)通壓降越大，開(kāi)關(guān)速度越慢。因此，在滿足額定電壓為實(shí)際工作電壓1.21.5倍的條件下，應(yīng)盡量選擇低壓功率開(kāi)關(guān)管。雙極型功率開(kāi)關(guān)管（BJT）是具有開(kāi)關(guān)特性和功率輸出能力的雙極、結(jié)型晶體管。因有兩種載流子（電子與空穴）流過(guò)晶體管，故稱之為雙極型，這與僅有一種載流子的場(chǎng)效應(yīng)管不同。雙極型功率管屬于電流驅(qū)動(dòng)型器件，常用的耐壓值在1KV以下，工作電流從幾安培到幾百安培。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是電流放大系數(shù)低，驅(qū)動(dòng)

28、電流較大，開(kāi)關(guān)頻率低（幾十千赫以下），適合中、小功率的開(kāi)關(guān)電源。MOS管屬于絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻。它分N溝道管和P溝道管兩種類型。根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOS又分增強(qiáng)型、耗盡型兩種。增強(qiáng)型是指當(dāng)UGS=0時(shí)管子呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的UGS（對(duì)N溝道管要求UGS>0；對(duì)P溝道管則要求UGS<0）時(shí)，多數(shù)載流子就被吸引到柵極，從而增強(qiáng)了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。耗盡型則是指當(dāng)UGS=0時(shí)即形成溝道，加上正確的UGS（對(duì)N溝道管要求UGS<0）時(shí)，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而耗盡了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。M

29、OS功率開(kāi)關(guān)管與雙極型功率開(kāi)關(guān)管相比較，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)通時(shí)間短（幾至幾十納秒）適用于開(kāi)關(guān)頻率為100KHz1MHz的PWM控制器；它采用電壓驅(qū)動(dòng)，不需要靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流；可靠性高，無(wú)二次擊穿現(xiàn)象；通態(tài)電阻小，損耗低。MOS功率開(kāi)關(guān)管一般采用N溝道管，因?yàn)樵谕瑯忧闆r下N溝道管的通態(tài)電阻要比P溝道管小，且開(kāi)關(guān)速度比N溝道快。MOS功率開(kāi)關(guān)管的工作電流從幾安培到幾百安培，輸出功率從幾十瓦到幾千瓦，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)幾百千赫至1MHz以上。目前在中、小功率開(kāi)關(guān)電源中大都采用MOS管作為功率開(kāi)關(guān)管。因此，在本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源推挽式變換器中選用MOS功率開(kāi)關(guān)管。MOS功率開(kāi)關(guān)管的直流參數(shù)主要有漏極電流ID、漏-

30、源擊穿電壓U(BR)DS、漏-源通態(tài)電阻RDS(ON)、漏極功耗PD。交流參數(shù)有開(kāi)啟時(shí)間td(ON)、關(guān)斷時(shí)間td(OFF)、輸入電容CI、輸出電容CO等。開(kāi)關(guān)電源中MOS管的損耗主要有兩種：導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是在MOS管完全導(dǎo)通時(shí)漏-源通態(tài)電阻ON上的損耗。開(kāi)關(guān)損耗是MOS管在交替導(dǎo)通與截止時(shí)的功率損耗。此外還有柵極損耗，即由于MOS管柵極電容充、放電而產(chǎn)生的損耗，但它出現(xiàn)在柵極電阻或驅(qū)動(dòng)電路上。由美國(guó)國(guó)際整流公司（IR）生產(chǎn)的5種MOS功率開(kāi)關(guān)管的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)附錄表1所示。根據(jù)本文開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要求，額定功率500W、直流電壓12V，由P=UI，可得到，I=41.7A，所以MO

31、S管的漏極電流ID應(yīng)大于41.7A，故選用IRFP260型號(hào)的MOS功率開(kāi)關(guān)管。.1.3 輸出整流管開(kāi)關(guān)電源的輸出整流管一般采用快恢復(fù)二極管（FRD）、超快恢復(fù)二極管（SRD）或肖特基二極管（SBD）。衡量高頻整流及續(xù)流器件性能的重要技術(shù)指標(biāo)就是反向恢復(fù)時(shí)間trr，反向恢復(fù)時(shí)間的定義是：電流通過(guò)零點(diǎn)由正向轉(zhuǎn)向反向，再由反向轉(zhuǎn)換到規(guī)定低值的時(shí)間間隔。反向恢復(fù)電流的波形圖如圖1所示。圖1 反向恢復(fù)電流的波形圖中If為正向電流，Irm為最大反向恢復(fù)電流，Irr為反向恢復(fù)電流，通常規(guī)定Irr=0.1Irm。當(dāng)t小于或等于t0時(shí)，正向電流I=If。當(dāng)t大于t0時(shí)，由于整流管上的正向電壓突然變成反向電壓，

32、因此正向電流迅速減小，在t=t1時(shí)刻，I=0。然后整流管上流過(guò)反向電流Ir，并且Ir逐漸增大；在t=t2時(shí)刻達(dá)到最大反向恢復(fù)電流Irm值。此后受正向電壓的作用，反向電流逐漸減小，并且在t=t3時(shí)刻達(dá)到規(guī)定值Irr。從t2到t3的反相恢復(fù)過(guò)程與電容器放電過(guò)程類似。由t1到t3的時(shí)間間隔即為反向恢復(fù)時(shí)間trr。肖特基二極管是以金、銀、鉬等貴金屬為陽(yáng)極，以N型半導(dǎo)體材料為陰極，利用兩者接觸面上形成的勢(shì)壘具有整流特性而制成的金屬-半導(dǎo)體器件。僅用一種載流子輸送電荷，在勢(shì)壘外側(cè)無(wú)過(guò)剩少數(shù)載流子的積累，因此不存在電荷儲(chǔ)存效應(yīng)。其反相恢復(fù)時(shí)間可縮短到10ns以內(nèi)。反相耐壓一般不超過(guò)100V，適宜在低電壓、大

33、電流下工作。利用其低壓降的特性能夠顯著提高低壓大電流整流電路的效率。肖特基二極管、快恢復(fù)二極管和普通高頻硅整流管的典型伏安特性分別如下圖中曲線a、b、c所示。由圖可見(jiàn)，肖特基二極管的正向?qū)▔航礥f最低，快恢復(fù)二極管較高，高頻硅整流管最高。普通高頻硅整流管的trr與快恢復(fù)二極管相當(dāng)，但平均整流電流很小，不能做大電流整流用。為了提高低壓、大電流整流的效率，在本文設(shè)計(jì)的電路中選用肖特基二極管，充分利用它的高頻、大電流、低功耗特點(diǎn)，而且肖特基二極管的正向?qū)▔航祪H為0.4V左右，約為快恢復(fù)二極管Uf值的一半。.1.4 TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431穩(wěn)壓器的輸出電壓可在2.50V36V范圍

34、內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。TL431的等效電路主要包括4部分，如圖2所示：（1）、誤差放大器，其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓，反相輸入端則接內(nèi)部2.50V基準(zhǔn)電壓Uref，并且設(shè)計(jì)的UREF=Uref，UREF常態(tài)下應(yīng)為2.50V。（2）、內(nèi)部2.50V精準(zhǔn)電壓源Uref（3）、NPN型晶體管VT。它在電路中起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用（4）、保護(hù)二極管VD，可防止接反而損壞芯片。圖2 TL431的等效電路TL431的基本接線如圖3所示。它相當(dāng)于一只可調(diào)式齊納穩(wěn)壓管，輸出電壓由外部精密電阻R1和R2來(lái)設(shè)定，有公式R3是IKA的限流電阻。選取R3的原則是當(dāng)輸入電壓為UI時(shí)，必須保證IKA在1100mA范

35、圍內(nèi)，以便TL431能正常工作。圖3 TL431的基本接線TL431的穩(wěn)壓原理：當(dāng)由于某種原因使U0時(shí)，取樣電壓UREF也隨之升高，使UREF>Uref，比較器輸出高電平，令VT導(dǎo)通，U0。反之，U0UREFUREF<Uref比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平VT截止U0。這樣循環(huán)下去，從動(dòng)態(tài)平衡的角度看，就迫使U0趨于穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)壓目的，并且UREF=Uref。.2 60V-12V DC_DC變換器設(shè)計(jì)方案本文設(shè)計(jì)的DC_DC變換器電路包括兩大主體：主電路和控制電路。其系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。主電路采用推挽式變換器，控制芯片為SG3525。主要由以下5部分構(gòu)成：（1）、輸入整流濾波（2）

36、、功率開(kāi)關(guān)管及高頻變壓器（3）、控制電路（PWM控制器），含振蕩器、基準(zhǔn)電壓源（UREF）、誤差放大器和PWM比較器，控制電路能產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，其占空比受反饋電路控制（4）、輸出整流濾波（5）、反饋電路。以下對(duì)主電路進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。整流濾波開(kāi)關(guān)變換濾波輸出驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路PWM控制器電流取樣圖4 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)框圖整體電路設(shè)計(jì)說(shuō)明：本文車載蓄電池電壓范圍為45V74.8V，在設(shè)計(jì)電路中采用60V額定電壓輸入，經(jīng)過(guò)濾波電容后，60V直流電輸入推挽式開(kāi)關(guān)變換電路，由功率開(kāi)關(guān)管VT斬波、高頻變壓器降壓，得到高頻矩形方波電壓，最后通過(guò)全波整流后獲得12V直流電壓。PWM控制器（SG3525）能夠產(chǎn)生頻率固定

37、而脈沖寬度可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制推挽電路中功率開(kāi)關(guān)管的通、斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，達(dá)到穩(wěn)壓目的。利用取樣電阻、誤差放大器和PWM比較器形成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，輸出電壓經(jīng)電阻取樣后，送至誤差放大器的反相輸入端，與加在同相端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到誤差電壓，再用誤差電壓的幅度去控制PWM比較器輸出的脈沖寬度，最后經(jīng)功率放大和降壓式輸出電路使輸出電壓不變。.2.1 自動(dòng)穩(wěn)壓原理令直流輸入電壓為U1，開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器的效率為，占空比為D，則功率開(kāi)關(guān)的脈沖幅度UP=U1，可得到公式U0=DU1占空比（Duty Cycle）表示脈沖寬度（信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間t）與周期（T）的百分比。這表明，當(dāng)、U1一定時(shí)，只要

38、改變占空比，即可自動(dòng)調(diào)節(jié)U0值。當(dāng)U0由于某種原因而升高時(shí)，UrDU0。反之，若U0降低，則UrDU0。這就是自動(dòng)穩(wěn)壓原理。如圖5所示。圖中，Ur是誤差電壓，UPWM代表PWM比較器的輸出電壓。圖5 自動(dòng)穩(wěn)壓過(guò)程波形圖（a） 當(dāng)誤差電壓升高時(shí)輸出電壓隨之升高（b） 當(dāng)誤差電壓降低時(shí)輸出電壓隨之降低在SG3525的第2管腳上加有一個(gè)基準(zhǔn)電壓值，分壓2.5V。在變壓器中心抽頭加直流電壓，輸出部分采用全波整流，在輸出點(diǎn)上有分壓電阻給TL431提供參考電壓，并通過(guò)光耦反饋電路反饋到SG3525，以調(diào)節(jié)控制輸出方波占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。.3 直流變換的電路設(shè)計(jì)直流變換部分是DC_DC變換的主體部分，開(kāi)關(guān)

39、電源是一種高頻電源變換電路，目前，從已經(jīng)形成的高頻變換器電路按其工作方式可分成5類，而每類傳輸?shù)墓β室膊幌嗤?、單端反激變換器 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸出功率在100W以下，使用單端反激變換器式電路成本最小，最簡(jiǎn)單，最合適。缺點(diǎn)是負(fù)載調(diào)整率較差。2、單端正激變換器 適用于輸出功率在50200W的開(kāi)關(guān)電源，其缺點(diǎn)是，線圈匝數(shù)較多，變壓器體積也較大，利用率也較低。現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)很少使用。3、推挽式變換器 適用于輸出功率在100700W的范圍內(nèi)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是晶體管的耐壓值要達(dá)到兩倍的線路峰值電壓。4、半橋式變換器 適用于功率范圍在3001000W的開(kāi)關(guān)電源，優(yōu)點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)管的耐壓較低，絕不會(huì)超過(guò)線路

40、峰值電壓，缺點(diǎn)是高頻變壓器上施加的電壓幅值只有輸入電源電壓的一半，與推挽式相比，欲輸出相同功率，則高壓開(kāi)關(guān)晶體管必須流過(guò)兩倍的電流。5、全橋式變換器 適用于功率超過(guò)1000W的開(kāi)關(guān)電源，4個(gè)晶體管相對(duì)成組，兩組晶體管輪流導(dǎo)通、關(guān)斷。全橋電路的主要不足時(shí)需要四組波比絕緣的晶體管基極驅(qū)動(dòng)電路，使控制驅(qū)動(dòng)電路的成本增大。綜合5種高頻變換器電路的結(jié)構(gòu)、適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)看，本文設(shè)計(jì)的500W車載開(kāi)關(guān)電源選用電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍較廣的推挽式變換器。推挽式變壓器電路屬于雙端式變換電路，它的高頻變壓器工作于磁滯迥線的兩側(cè)，在雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源中，推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源是最常用的開(kāi)關(guān)電源。由于推挽式變壓器開(kāi)

41、關(guān)電源中的兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)Q1和Q2輪流交替工作，其輸出電壓波形非常對(duì)稱，并且開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性也很好。推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源是所有開(kāi)關(guān)電源中電壓利用率最高的開(kāi)關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于DC/AC逆變器，或DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中。其典型電路如圖6所示圖6 推挽輸出結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，SG3525的14引腳和11引腳輸出交替互補(bǔ)，交替輸出高低電平的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)Q1和Q2輪流導(dǎo)通，形成脈寬調(diào)制信號(hào)將輸入的直流電壓變?yōu)榻涣麟?，通過(guò)高頻變壓器降壓、全波整流后得到所

42、需的12V直流電壓。R1、C1和R2、C2分別構(gòu)成阻容緩沖電路，以抑制吸收尖峰電壓來(lái)保護(hù)MOS管的安全運(yùn)行。圖中SG3525的14引腳和11引腳分別輸出相位相差180°的PWM方波，如下圖所示.3.1 推挽式變換器電路中RC阻容緩沖電路的設(shè)計(jì)為了限制電路電壓上升率過(guò)大，抑制尖峰電壓，確保MOSFET功率開(kāi)關(guān)管安全運(yùn)行，常在MOSFET功率開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)RC阻容緩沖電路，利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)限制電壓上升率。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械?變壓器漏感或負(fù)載電感)，所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過(guò)渡過(guò)程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓損壞MOSFET功

43、率開(kāi)關(guān)管。同時(shí)，避免電容器通過(guò)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管放電電流過(guò)大，造成過(guò)電流而損壞MOSFET功率開(kāi)關(guān)管。在計(jì)算合適的緩沖電路RC值之前，先要測(cè)量MOSFET無(wú)抑制緩沖電路時(shí)的漏極電壓。圖7 無(wú)緩沖電路時(shí)的漏極電壓如圖7所示，詳細(xì)列出了使用12V直流電壓工作時(shí)，推挽式驅(qū)動(dòng)器的典型柵極驅(qū)動(dòng)電壓和漏極電壓波形。在推挽式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)互補(bǔ)MOSFET開(kāi)啟時(shí)，正常情況下漏極電壓會(huì)升至直流電源電壓的兩倍即24V。然而，如圖7所示，尖峰電壓卻高達(dá)54V。在MOSFET關(guān)閉以及互補(bǔ)MOSFET開(kāi)啟時(shí)，N通道功率MOSFET的漏極也會(huì)出現(xiàn)尖峰電壓。因此，要為每個(gè)漏極添加簡(jiǎn)單的RC阻容緩沖電路。合適的電阻R和電

44、容C的值可由如下過(guò)程確定。1、 測(cè)量尖峰諧振頻率，如圖8所示。2、 在MOSFET的漏極和源極上并聯(lián)一個(gè)電容(無(wú)電阻，僅電容)，調(diào)整電容值，直到尖峰諧振頻率降低到原來(lái)的二分之一。此時(shí)，該電容值為產(chǎn)生尖峰電壓的寄生電容值的三倍。3、 因?yàn)榧纳娙葜狄阎?，可用公式求得寄生電感值：，其中，f諧振頻率，C = 寄生電容值4、 現(xiàn)在，寄生電容和電感值都已知，諧振回路的特征阻抗可由公式求得：，其中，L = 寄生電感值，C = 寄生電容值5、 RC緩沖電路中的電阻值應(yīng)該接近特征阻抗，電容值應(yīng)該是寄生電容值的四到十倍。使用更大的電容可以輕微降低電壓過(guò)沖，但要以更多的功率耗散和更低的逆變效率為代價(jià)。圖8 無(wú)緩沖

45、電路的諧振尖峰電壓的頻率計(jì)算RC緩沖電路元器件的值1、找出諧振尖峰電壓的頻率，如圖8所示，約為35MHz。2、在漏極和地線之間并聯(lián)一個(gè)電容，以將諧振頻率降低至約一半到17.5MHz。如圖9所示，330pF的并聯(lián)電容即可將諧振頻率降低至17.5MHz。最佳電容值可以通過(guò)嘗試并聯(lián)不同容量的電容來(lái)確定，從小容量100pF開(kāi)始，然后逐漸增大。因?yàn)?30pF的并聯(lián)電容即可將諧振頻率降至原來(lái)的二分之一，寄生電容值應(yīng)該是其三分之一，大約為110pF。圖9 提供330pF并聯(lián)電容時(shí)的諧振尖峰電壓頻率3、計(jì)算寄生電感值寄生電感 4、計(jì)算特征阻抗特征阻抗 5、 選擇適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙葜?。緩沖電路中的電阻值R應(yīng)該接近

46、41，而電容值C應(yīng)該在寄生電容110pF的四到十倍之間。在本文設(shè)計(jì)中，我們選擇電容C為1000pF，大約為寄生電容值的九倍。.4 高頻變壓器的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算高頻變壓器是DC_DC變換器的重要部件，它可起到儲(chǔ)存能量、傳輸能量的作用。變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，當(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，磁心中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。變壓器由磁心和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。高頻變壓器的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)關(guān)鍵步驟。.4.1 高頻變壓器磁心的選擇磁性材料分軟磁材料、硬磁材料兩種。軟磁鐵氧體磁心是磁性材料中重要的一

47、大類，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，例如收音機(jī)中的磁棒，收錄機(jī)、電視機(jī)中的磁心，偏轉(zhuǎn)線圈的磁環(huán)，錄像機(jī)磁頭以及開(kāi)關(guān)電源中的高頻變壓器。軟磁鐵氧體磁心的品種繁多，形狀各異，大致可做如下分類：1、 按形狀分類。主要有螺紋磁心，環(huán)形磁心，管形磁心，E形，日形，U形，T形，工字形，王字形磁心。此外還有單孔、雙孔和多孔磁心。2、 按工作頻率劃分。有低頻、中頻、高頻、甚高頻磁心。3、 按材料劃分。MXO錳鋅鐵氧體；NXO鎳鋅鐵氧體；NQ鎳鉛鐵氧體；NGO鎳鋅高頻鐵氧體；GTO甚高頻鐵氧體。軟磁鐵氧體磁心典型產(chǎn)品的性能見(jiàn)附錄表2。由表2可見(jiàn)，MXO型錳鋅鐵氧體適合工作在中頻（幾百千赫茲），其電阻率很低，1x10

48、78;cm，NXO型鎳鋅鐵氧體可工作在高頻（幾十兆赫茲），其電阻率較高，1x106cm，而NQ、NGO、GTO型磁性材料的工作頻率達(dá)幾百兆赫茲，其電阻率極高，接近無(wú)窮大。開(kāi)關(guān)電源的工作頻率一般為幾十千赫至幾百千赫，一般選用MXO-2000型材料，用它制成的E型磁心具有漏感小、磁耦合性能好、繞制方便等優(yōu)點(diǎn)。磁通密度Bs的高低，對(duì)于變壓器和繞制結(jié)果有一定影響。從理論上講，Bs高，變壓器繞組匝數(shù)可以減小，銅損也隨之減小，而磁滯損耗將增大。當(dāng)磁心損耗與銅損耗近似相等時(shí)，所選擇的磁通密度為最佳值。高頻變壓器的總損耗就等于磁心損耗和銅損耗之和，有公式P=PCu+PCORE，其中PCu為銅損耗，PCORE為

49、磁心損耗。在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)電源高頻變換器的電路形式很多，在本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源中采用的是推挽式變換器，因此在變壓器一次繞組里正負(fù)半周勵(lì)磁電流大小相等，方向相反，因此對(duì)于變壓器磁心里的磁通變化，也是對(duì)稱的上下移動(dòng)，B的最大變化范圍為B=2Bm，磁心中的直流分量基本抵消。相對(duì)磁導(dǎo)率的選取要根據(jù)實(shí)際線路的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)決定，一般相對(duì)磁導(dǎo)率為2000的材料，其適用頻率在300kHz以下，有時(shí)也可以高些，但最高不能高于500kHz。對(duì)于高于這一頻段的材料，應(yīng)選擇磁導(dǎo)率偏低一點(diǎn)的磁性材料，一般為1300左右。居里溫度是表示磁性材料失去磁特性的溫度，一般材料的居里溫度在200以上，但是變壓器的實(shí)際工作溫度不應(yīng)高

50、于80，這是因?yàn)樵?00以上時(shí)，其飽和磁通密度Bs已跌至常溫時(shí)的70。因此過(guò)高的工作溫度會(huì)使磁心的飽和磁通密度跌落的更嚴(yán)重。再者，當(dāng)高于100時(shí)，其功耗已經(jīng)呈正溫度系數(shù)，會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)。本文設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源為車載電源，因此工作環(huán)境溫度不會(huì)高于100。磁心參數(shù)設(shè)計(jì)中，工作磁通密度不僅受磁化曲線限制如圖10、圖11所示，還要受損耗的限制。磁通單方向變化時(shí)：B=Bs-Br，既受飽和磁通密度限制，又更主要是受損耗限制，（損耗引起溫升，溫升又會(huì)影響磁通密度）。工作磁通密度Bm=0.60.7B。開(kāi)氣隙可以降低Br,以增大磁通密度變化值B，開(kāi)氣隙后，勵(lì)磁電流有所增加，但是可以減小磁心體積。對(duì)于磁通雙向工作而言

51、：最大的工作磁通密度Bm，B=2Bm。在雙方向變化工作模式時(shí)，還要注意由于各種原因造成勵(lì)磁的正負(fù)變化的伏秒面積不相等，而出現(xiàn)直流偏磁問(wèn)題。可以在磁心中加一個(gè)小氣隙，或者在電路設(shè)計(jì)時(shí)加隔直流電容。圖10 鐵磁物質(zhì)的磁化特性曲線圖11 磁心的滯回曲線.4.2 高頻變壓器導(dǎo)線的選擇漆包線是一種帶絕緣層的導(dǎo)電金屬線，用于繞制工頻變壓器、高頻變壓器、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的繞組。其作用是通過(guò)感應(yīng)電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)或通過(guò)切割磁力線來(lái)產(chǎn)生感應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)電能與磁能的互相轉(zhuǎn)換。漆包線的表面有一層均勻的漆膜，光滑柔軟，絕緣性能好，便于手工或自動(dòng)化繞制，成本低廉。另外，漆包線的線徑均指裸導(dǎo)線。目前國(guó)內(nèi)常用的是QQ型高強(qiáng)度漆包線

52、。在我國(guó)采用的是公制線規(guī)，歐美國(guó)家常用“圓密耳（circularmil）”作導(dǎo)線橫截面積單位，換算關(guān)系為1mm²=1980圓密耳尼龍/聚氨酯涂層是首選的漆包線絕緣層。這種涂層的優(yōu)點(diǎn)是在接觸到融化的焊料時(shí)會(huì)蒸發(fā)掉，不需要預(yù)先剝離漆層。絕緣涂層應(yīng)為高強(qiáng)度型或雙絕緣層，以便能承受手工繞制過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力。若使用普通的磁漆或聚酰亞胺絕緣，在將繞組引線焊接到高頻變壓器引腳時(shí)，就必須采用機(jī)械或化學(xué)的方法來(lái)剝離絕緣層。高頻變壓器導(dǎo)線的截面（直徑）是構(gòu)成線圈參數(shù)的數(shù)據(jù)之一。導(dǎo)線截面決定于繞組的電流密度，通常取J為2.54A/mm²。導(dǎo)線直徑的選擇還要考慮集膚效應(yīng)。集膚效應(yīng)是指當(dāng)高頻電流通過(guò)

53、導(dǎo)體時(shí)，電流將集中在導(dǎo)體表面流通，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)（Skin Effect，也稱趨膚效應(yīng)）。由于存在集膚效應(yīng)，而將電流限制在導(dǎo)體截面上的一部分區(qū)域，這不僅降低導(dǎo)線的有效使用面積，還增加了等效電阻。集膚效應(yīng)可用該頻率下的“透入深度”d來(lái)表示。其中，f為開(kāi)關(guān)頻率；為導(dǎo)線的磁導(dǎo)率；為導(dǎo)線的電導(dǎo)率；d的單位是cm。對(duì)于銅導(dǎo)線，當(dāng)環(huán)境溫度為20時(shí)，上述式子可簡(jiǎn)化為當(dāng)環(huán)境溫度為100時(shí)，公式變?yōu)轱@然當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率固定時(shí)，透入深度為一常數(shù)。因此，采用多股導(dǎo)線并繞的方法可以減小銅導(dǎo)線的未使用面積。在選擇漆包線時(shí)，應(yīng)盡量不使用線徑大于0.56mm的漆包線，漆包線越粗，就越難繞制，而且可能因應(yīng)力過(guò)大而是骨架破裂，

54、也不要使用線徑小于0.13mm的漆包線，這種漆包線在繞制過(guò)程中很容易斷裂。.4.3 高頻變壓器的設(shè)計(jì)步驟及參數(shù)計(jì)算本文中設(shè)計(jì)的高頻變壓器預(yù)設(shè)變壓器效率=0.9，開(kāi)關(guān)頻率fs=40KHz，最大占空比Dmax=0.47，輸入電壓60V，輸出電壓12V，額定功率500W。采用面積乘積AP法來(lái)設(shè)計(jì)變壓器，采用如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)：1、計(jì)算變壓器的視在功率PT在電工技術(shù)中，將單口網(wǎng)絡(luò)端鈕電壓和電流有效值的乘積，稱為視在功率（apparent power），記為S=UI。由于網(wǎng)絡(luò)中既存在電阻這樣的耗能元件，又存在電感、電容這樣的儲(chǔ)能元件，所以，外電路必須提供其正常工作所需的功率，即平均功率或有功功率，同時(shí)應(yīng)有

55、一部分能量被貯存在電感、電容等元件中。這就是視在功率大于平均功率的原因。只有這樣網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備才能正常工作。若按平均功率給網(wǎng)絡(luò)提供電能是不能保證其正常工作的。因此，在實(shí)際中，通常是用額定電壓和額定電流來(lái)設(shè)計(jì)和使用用電設(shè)備的，用視在功率來(lái)標(biāo)示它的容量。2、初步暫定磁心材料為MXO-2000型，其飽和磁通密度Bs=0.4T，為防止出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象而損壞功率開(kāi)關(guān)管，暫取磁通密度Bw=0.3T。確定磁心截面積AP，根據(jù)AP值選擇磁心尺寸。公式如下PT-變壓器的視在功率Ae-磁心有效截面積Aw-磁心窗口面積Ko-磁心窗口利用系數(shù)，典型值為0.4Kf-波形系數(shù)，方波為4，正弦波為4.44Bw-磁心的工作磁通密度

56、fs-開(kāi)關(guān)工作頻率Kj-電流密度系數(shù)，取433A/cm²X-磁芯結(jié)構(gòu)系數(shù)將數(shù)據(jù)帶入公式得AP=4.2253cm4通過(guò)查找磁心的尺寸規(guī)格表可以看出，EE42型磁心AP=4.9484cm4大于上述計(jì)算值4.2253cm4，故選用EE42型磁心。其Ae=178mm²，Wa=258mm²。3、計(jì)算原副邊電感量及匝數(shù)（1）、計(jì)算原邊繞組匝數(shù)的公式如下（中心抽頭至兩端）其中UI=60V，代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得到Np=9 匝（2）、計(jì)算匝比n（3）、計(jì)算原邊峰值電流Ip設(shè)定電路工作在連續(xù)模式，根據(jù)輸入電壓的范圍取Krp為0.6（4）、計(jì)算原邊電感Lp連續(xù)模式： 代入數(shù)據(jù)計(jì)算可得，Lp

57、=418H（5）、計(jì)算副邊電感Ls（6）、計(jì)算副邊匝數(shù)NsNs=Np/n=2.045，取整數(shù)則Ns=3 匝4、 計(jì)算空氣隙的長(zhǎng)度為了避免磁心飽和，需要在磁心的兩個(gè)側(cè)面各留出一定的氣隙。計(jì)算公式如下5、根據(jù)電流密度和原副邊有效值電流求線徑（1）、原邊線徑原邊有效電流 計(jì)算線徑 電流密度J取4A/mm²原邊線徑 為減小集膚效應(yīng)的損耗，線徑取直徑0.45X2股繞制。（2）、副邊線徑為減小集膚效應(yīng)的損耗，線徑取直徑0.6X4股繞制。6、計(jì)算銅損PCu和鐵損PFe（1）、原邊和副邊繞組損耗。其中，MLT為磁心的平均匝長(zhǎng) （2）、計(jì)算在效率下允許的總損耗Ploss和允許鐵損耗Ploss=Pout/PoutPloss是整個(gè)電路的損耗，包括二極管、MOS管等損耗，而且實(shí)際的PFe損耗肯定要比計(jì)算值小很多。（3）、計(jì)算單位